SEM-1解析

电子显微镜-------------第一部分概述光学显微镜可以分辨微米范围（10-6m）的物体；电子显微镜和扫描探针显微镜可以分辨纳米（10-9m）的物体。光学显微镜使用可见光作光源，用玻璃透镜来聚焦光和放大图像。光学显微镜极限分辨本领为200nm。电子显微镜使用高能量的加速电子作为照明源，使用电线圈代替玻璃透镜来聚焦成像，电子具有比光波长小10-100倍的缔合波长，可以分辨比光学显微镜所能分辨的最小物体还要小1000倍的物体。•1897年，英国物理学家J.J.Thomson在研究阴极射线时发现电子；•1925年，LouisDeBroglie首先在理论上提出电子具有波动性；•1927年，Davission,Germer,Thompson和Reid通过经典电子衍射实验，证实了电子的波动性；•1927年，德国科学家H.Busch首次成功用一个电磁线圈对电子聚焦；电子显微镜的发展进程•1931年，德国科学家E.Ruska和M.Knoll制作了第一台透射电子显微镜；•之后，E.Ruska用电磁聚光镜聚焦电子，使其放大倍数达到12000倍，分辨本领超过200nm光学极限。1939年开始制成商品供应。•1942年，Zworykin，Hiller和Suyder设计了第一台观察块状试样用的扫描电镜；1965年开始制造出第一批商品SEM。•1956年第一台商品电子探针仪诞生。•随后许多用于表面结构分析的现代仪器问世，如场离子显微镜（FIM）、俄歇电子能谱仪（AES），光电子能谱仪（ESCA)。•1982年，第一台扫描隧道显微镜（STM)诞生；•1986年，Binnig，Quate和Gerber推出第一台原子力显微镜（AFM)。电子显微分析方法•扫描电子显微镜(SEM)可简称扫描电镜•电子探针X射线显微分析仪简称电子探针(EPA或EPMA)•透射电子显微镜(TEM)可简称透射电镜•电子激发电子能谱(XAES或AES)1.1光学显微镜的局限性最小分辨距离：d——最小分辨距离λ——波长n——透镜周围的折射率α——透镜对物点张角的一半，nsinα称为数值孔径，用N.A表示一、光学显微镜与扫描电子显微镜sin61.0nd两个Airy斑明显可分辨出两个Airy斑刚好可分辨出两个Airy斑分辨不出I0.81I对于光学显微镜，N.A的值均小于1，油浸透镜也只有1.5-1.6，而可见光的波长有限，因此，光学显微镜的分辨本领不能再次提高。提高透镜的分辨本领：增大数值孔径是困难的和有限的，唯有寻找比可见光波长更短的光线才能解决这个问题。sin61.0nd•1.2电子的波长比可见光波长更短的有：1）紫外线——会被物体强烈的吸收；2）X射线——无法使其会聚；3）电子波根据德布罗意物质波的假设，即电子具有微粒性，也具有波动性。电子波mhph显然，v越大，λ越小，电子的速度与其加速电压（E伏特）有关。而即若被150伏的电压加速的电子，波长为1埃。eEmv221meEv/2Ce191060.1E/150埃sin61.0nd二、电子与样品物质的交互作用1、电子与固体样品的相互作用区即电子在固体样品中的扩散区。弹性散射仅仅使入射电子运动方向发生偏离，引起电子在样品中的横向扩散。非弹性散射不仅改变入射电子的运动方向，同时也使其能量不断衰减，从而限制了入射电子在样品中扩散范围。电子束与固体样品作用产生的三种主要信号：二次电子、背散射电子和X射线•作用区的形状、大小主要取决于作用区内样品物质元素的原子序数、入射电子的能量和样品的倾斜角效应。（1）原子序数的影响当入射电子束能量一定，相互作用区的形状主要与样品物质的原子序数有关。弹性散射截面正比于照射样品的原子序数，即2ZQ入射电子在样品中扩散区域的示意图abcd低原子序数样品：a加速电压低时；b加速电压高时高原子序数样品：c加速电压低时；d加速电压高时•(2)入射电子束能量的影响对于同一物质样品，作用区的尺寸正比于入射电子束的能量，相互作用区的横向和纵向尺寸随之成比例地改变，但其形状无明显变化。电子在样品中的弹性散射截面与其能量的平方成反比，即：21EQ•(3)样品的倾斜角大小的影响：当样品倾斜时，电子向前散射的趋势使其在表面附近传播。从而减小了相互作用区的深度。当垂直入射时（倾斜为0°），电子束向前散射的趋势使大部分电子传播到样品深处。三、电子束与固体样品作用时产生的信号特征X射线1、背散射电子（BSE)被固体样品中原子反射回来的一部分入射电子，约占入射电子总数的30%。主要由两部分组成：被样品表面原子反射出来的入射电子--弹性背散射电子；进入样品后的部分入射电子在与原子核、核外电子发生多次各种非弹性散射，能量大于样品表面逸出功的入射电子--非弹性背散射电子；电子束作用下固体样品发射的信号电子能量分布图背散射电子对样品的原子序数十分敏感，当电子束垂直入射（平样品）时，BSE的产额随原子序数增大而增多，而与入射电子的能量关系不大。背散射系数与原子序数的关系样品倾斜角（即电子束入射角）的大小对背散射电子的产额有明显的影响。基于背散射电子的产额与原子序数Z及倾斜角θ的关系，以BSE信号调制图像的衬度可以定性地反映出样品微区的成分分布和表面形貌。BSE一般来自表层几百纳米的深度范围。再者利用BSE的衍射信息还可以研究样品的结晶学特征，这也是扫描电镜的一个重要发展方向。2、二次电子(SE)被入射电子轰击出来的样品核外电子，又称次级电子。二次电子的能量比较低，一般小于50eV，背散射电子的能量比较高，其约等于入射电子能量E0。电子束作用下固体样品发射的信号电子能量分布图在样品表面下深度Z处产生的二次电子的逃逸几率SE的特征：A、取样深度较浅，一般约为10nm；B、其产额与入射束相对于样品表面的入射角θ，cos1SEC、SE产额对样品成分的变化相当不敏感。SE是研究样品表面形貌最为有用的工具。二次电子率δ和背散射电子产率η随原子序数的变化背散射电子二次电子3、吸收电子（AE)入射电子进入样品中，随着与样品中原子核或核外电子发生非弹性散射次数的增多，其能量和活动能力不断降低以致最后被样品所吸收的入射电子。假如入射电子束照射一个足够厚度（μm数量级）没有透射电子产生的样品，那么：asbIIII0对于一个多元素的平板试样，当入射电流强度I0一定，则Is一定（仅与形貌有关），那么吸收电流Ia与背散射电流Ib存在互补关系，即产生背射电子较多部位吸收电子数量就少，因此吸收电子的产额同背散射电子一样与样品微区的原子序数相关。若用吸收电子成像，可定性地得到原子序数不同的元素在样品各微区的分布图，但图像的衬度与背散射像黑白相反。奥氏体铸铁的显微组织(a)背散射电子像(b)吸收电子像4、透射电子(TE)入射束的电子透过样品而得到的电子。其强度仅取决于样品微区的成分、厚度、晶体结构及晶向等。在SEM、TEM中利用其质厚效应、衍射效应、衍衬效应可实现对样品微观形貌、晶体结构、位向缺陷等多方面的分析。5、特征X射线当样品中原子的内层电子受入射电子的激发电离时，原子则处于能量较高的激发态，此时外层电子将向内层电子的空位跃迁，并以辐射特征X射线光子或发射俄歇电子的方式释放多余的能量。俄歇电子特征X射线是在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和特征波长的一种电磁波。其能量和波长取决于跃迁前后的能级差，而能级差仅与元素（或原子序数）有关。)(1ZK特征X射线是进行微区成分分析的重要信息6、俄歇电子如果原子内层电子能级跃迁过程所释放的能量不是以X射线形式而是将核外另一电子打出，脱离原子变为二次电子，成为俄歇电子。适用于表面层成分分析。俄歇电子的能量与其发生过程相关的原子壳层能级有关。而各能级仅与元素（原子序数）有关，所以每一个俄歇电子的能量都有一个固定值，带有某种元素原子的能量特征。俄歇电子成为微区成分分析的另一个重要的信号。俄歇电子能量很低，一般为50-1500eV，随不同元素，不同跃迁类型而异。用于分析的俄歇信号主要来至样品表层2-3个原子层，即表层以下1nm以内范围内，因此俄歇电子信号适用于表面化学成分分析。除以上各种信号外，电子束与固体样品作用还会产生阴极荧光，电子束感生电流等信号。阴极荧光产生的物理过程对杂质和缺陷的特征十分敏感，是用来检测杂质和缺陷的有效方法，常用于鉴定物相、杂质和缺陷分布。四、各种电子信号强度的关系•样品本身要保持电平衡，这些电子信号必须满足：tasbiiiii0将上式两边同除以i0，1Ta电子在铜中的透射、吸收和背散射系数的关系滴状作用体积中各种信息产生的范围5-10nm0.5-2nm500nm-5mm几百个nm扫描电子显微镜的简称为扫描电镜，英文缩写为SEM(ScanningElectronMicroscope)。SEM与电子探针（EPMA）的功能和结构基本相同，但SEM一般不带波谱仪（WDS）。五.扫描电子显微镜扫描电镜是用细聚焦的电子束轰击样品表面，通过电子与样品相互作用产生的二次电子、背散射电子等对样品表面或断口形貌进行观察和分析。现在SEM都与能谱（EDS）组合，可以进行成分分析。所以，SEM也是显微结构分析的主要仪器，已广泛用于材料、冶金、矿物、生物学等领域。1.SEM的特点◆放大倍数连续调节范围大;◆景深大，视野大，成像富立体感;◆分辨本领比较高；◆样品制备非常方便◆可直接观察大块试样◆固体材料样品表面和界面分析◆适合于观察比较粗糙的表面,材料断口和显微组织三维形态。2.扫描电镜的工作原理及特点扫描电镜采用的是逐点成像的图像分解法，与电视技术相似。光学显微镜和电镜光路图比较光源中间象物镜试样聚光镜目镜毛玻璃电子镜聚光镜试样物镜中间象投影镜观察屏照相底板照相底板•电子枪发射电子束，在加速电压作用下，经电子透镜聚焦，在样品表面逐行进行扫描，逐点成像。•被相应收集器接受，经放大器按顺序、成比例地放大后，送到显像管。•供给电子光学系统使电子束偏向的电源也是供给阴极射线显像管的电源，此电源发出锯齿波信号同时控制两束电子束作同步扫描。因此样品上电子束位置与显像管荧光屏上电子束位置一一对应。3、扫描电镜的结构（1）电子光学系统（镜筒）（2）扫描系统（3）信号检测及放大系统（4）图像显示和记录系统（5）真空系统（6）电源系统由电子枪、聚光镜、光阑和样品室等部件组成。它的作用是将来自电子枪的电子束聚焦成亮度高、直径小的入射束(直径一般为10nm或更小)来轰击样品，使样品产生各种物理信号。（1）电子光学系统（镜筒）Ⅰ、电子枪作用：提供一个连续不断的稳定的电子源，以形成电子束。束斑的尺寸及亮度与电子枪的设计类型有关。商用SEM使用的电子枪分为两种：热发射三级电子枪和场发射电子枪(1)用钨灯丝作为阴极的热发射电子枪：20-50µm用钨灯丝作为阴极的热发射电子枪：价格便宜；对仪器的真空度要求不高（10-5Pa）；发射效率低，电子束亮度不高(电流密度一般为10A/cm2)，提高亮度，需较大的发射截面，使仪器的分辨率受到限制。（2）六硼化阑阴极电子枪：也是一种热发射电子枪。发射功率比钨高得多，LaB6在1500K时所获得的电流密度等同于钨灯丝3000k时获得的电流密度。且LaB6阴极尖端的曲率半径可加工到1-20µm，在相同束流时，能获得比钨阴极更细的电子源（5-10µm），提高了仪器的分辨率；但对真空度要求高（小于100μPa），LaB6加工难度大，限制其使用。热阴极电子枪（a）工作原理，（b）钨灯丝，（c）六硼化镧灯丝（3）场发射电子枪利用靠近曲率半径很小的阴极尖端附近的强电场使阴极尖端发射电子。场发射分为热场和冷场，扫描电镜一般采用冷场。冷场发射电子枪所得束斑直径为10nm，且亮度高，在室温下，场发射电子枪所提供的电子束的亮度比相同电压下热钨灯丝高出三个数量级。目前，冷场发射的分辨率最高可达0.5nm场发射电子枪（a）工作原理（b）场发射灯丝曲率半径为100-500nm电子枪类型电子源直径能量分散度/eV总束流/μA真空度/Pa寿命/h100kv下亮度